DNA

Memoria a sola lettura
Il DNA è una memoria a sola lettura conservata al sicuro nella cellula. L'informazione genetica viene immagazzinata in modo ordinato nel DNA che è composto da due lunghi filamenti lineari di milioni di nucleotidi appaiati tra loro in modo complementare. Questi filamenti si avvolgono uno sull'altro per formare una doppia elica, illustrata qui a fianco (file PDB 1bna) dove una catena è mostrata con i carboni verdi e l'altra con i carboni rosa. Il codice è piuttosto facile da leggere, basta scorrere lungo il filamento di DNA, un nucleotide alla volta, e leggere le basi: A, T, C o G. Questo è esattamente quello che fanno le nostre cellule: leggono la sequenza di basi che interessa sul DNA e la trascrivono su un RNA messaggero, poi usano i ribosomi per costruire proteine corrispondenti a questo codice.

La nostra eredità
Le informazioni genetiche che abbiamo ereditato dai genitori sono il nostro bene più prezioso. Hanno guidato la costruzione del nostro corpo all'interno del grembo materno e continuano ancora oggi a controllarne tutte le nostre funzioni vitali di base. Ogni cellula sta usando continuamente queste informazioni per sapere come controllare i livelli di zucchero nel sangue o la temperatura del corpo, come digerire i diversi cibi, come affrontare le nuove sfide ambientali e come risolvere migliaia di altri importanti problemi. Tutte le risposte sono contenute nel DNA.
Centinaia di proteine diverse vengono costruite per interagire con queste informazioni:
per attivarle o disattivarle a seconda delle necessità,
per leggerle ed usarle per costruire nuove proteine,
per copiarle quando la cellula si deve dividere,
per conservarle e proteggerle quando non vengono usate attivamente,
per ripararle quando il DNA è danneggiato da sostanze chimiche o da radiazioni.

Icona centrale
Il DNA è certamente una delle molecole più belle delle cellule viventi. La sua doppia elica ha una forma elegante ed è piacevole da guardare. Il DNA è anche una delle molecole più famose, l'icona centrale della biologia molecolare, riconosciuta facilmente da tutti.
Per qualcuno può avere un significato negativo, essendo un simbolo usato dagli attivisti contrari all'ingegneria genetica. Ad altri, può ricordare i progressi che ci sono stati nelle indagini di polizia da quando la prova del DNA è stata usata per risolvere molti casi famosi. Molti hanno visto il DNA nei film di fantascienza, dove veniva modificato per costruire dinosauri o per conservare dati nascosti degli alieni. Per tutti è un simbolo penetrante della nostra crescente comprensione del corpo umano e della nostra stretta parentela col resto della biosfera. Molti problemi morali ed etici devono essere riconsiderati alla luce di queste nuove conoscenze.

Informazioni molecolari
Il DNA è perfetto per l'archiviazione e la lettura di informazioni. Ogni lato della molecola porta informazioni. Il meccanismo di base col quale il DNA immagazzina e trasmette le informazioni genetiche è stato scoperto negli anni 1950 da Watson e Crick. Queste informazioni possono esere lette grazie al fatto che le basi azotate (adenina, timina, guanina, citosina) possono formare tra loro dei legami idrogeno complementari attraverso i quali possono riconoscersi ed accoppiarsi una con l'altra su lati opposti della doppia elica (adenina si accoppia solo con timina, guanina solo con citosina). Questi legami idrogeno sono mostrati qui a fianco con fili azzurri, qui sotto con frecce rosse.












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Ulteriori informazioni possono essere lette dalle superfici che rimangono esposte nella doppia elica.
Nella scanalatura principale (la più larga delle due scanalature del DNA), le differenti paia di basi hanno una sequenza caratteristica di gruppi chimici che può essere riconosciuta. Questa sequenza è mostrata da frecce verdi nelle figure sulla destra. I gruppi includono donatori (D) ed accettori (A) di legame idrogeno e inoltre un gruppo chimico di maggiori dimensioni nel paio di basi adenina-timina (asterisco grande) o un gruppo più piccolo nel paio di basi guanina-citosina (asterisco piccolo).
Anche nella scanalatura minore, c'è una sequenza caratteristica di gruppi chimici che permettono di riconoscere le basi azotate, indicata con frecce blu nella figura sulla destra e con lettere blu nella struttura sulla sinistra.
Queste informazioni sono usate dalle proteine per leggere il codice genetico del DNA senza svolgere la doppia elica, ma sono anche il bersaglio di numerose tossine e farmaci che attaccano il DNA.

Variazioni sul tema
Il DNA adotta la normale doppia elica, chiamata elica-B, quando si trova nelle condizioni tipiche che esistono nelle cellule viventi. L'elica-B è mostrata nella figura al centro qui a lato (file PDB 1bna) mentre nella parte sottostante è illustrata una versione idealizzata di elica-B.
In condizioni diverse, comunque, il DNA può assumere altre strutture, come è illustrato nelle altre due figure: file PDB 1ana sulla sinistra e file PDB 2dcg sulla destra.
La doppia elica sulla sinistra, chiamata A-DNA, ha le basi inclinate ed una profonda scanalatura principale. Si forma in condizioni disidratanti.
Anche l'RNA spesso assume questa forma, perché il gruppo idrossilico extra presente sul ribosio si intromette, rendendo la forma B instabile. Si veda, per esempio, la struttura ad elica-A dell'RNA transfer (mdm 3/2001).
La doppia elica sulla destra è avvolta nella direzione opposta (sinistrorsa) rispetto al A-DNA e al B-DNA, è chiamata Z-DNA. Si forma a concentrazioni elevate di sale e richiede una particolare sequenza di basi, con molte coppie alternate citosina-guanina e guanina-citosina.

Esplorando la struttura
Molti pensano che il DNA sia una doppia elica perfetta e regolare. In realtà ha molte variazioni locali di struttura. Il piccolo frammento di DNA mostrato qui a fianco (file PDB 1bna) presenta alcune delle variazioni più comuni.
Nella parte superiore, l'elica è piegata a sinistra, distorta a causa del fatto che le eliche sono impaccate nel cristallo (queste strutture si ottengono infatti da molecole cristallizzate).
In basso, due delle basi sono fortemente ruotate e quindi non sono in un piano perfetto. Questo migliora il modo in cui le basi si impilano una sopra l'altra lungo ogni filamento, stabilizzando l'intera doppia elica.
A mano a mano che aumenta il numero delle strutture di DNA studiate, sta diventando sempre più chiaro che il DNA è una molecola dinamica, molto flessibile, che può essere piegata, attorcigliata, annodata e snodata, svolta e riavvolta dalle proteine con cui interagisce.

Bibliografia
Richard E. Dickerson (1983) The DNA Helix and How it is Read. Scientific American 249, pp. 94-111.
Wolfram Saenger (1994) Principles of Nucleic Acid Structure (Springer-Verlag, New York).

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